Экспериментальное исследование реологии магнитоактивных эластомеров во внешнем магнитном поле
1,2*, 3, M. Shamonin4, G. Monkman4, 1,2, 1,2
1Московский Государственный Университет им. , Физический факультет
2Институт элементоорганических соединений им. РАН
3Государственный научно-исследовательский институт химии и технологии элементоорганических соединений ГНИИХТЭОС
4East Bavarian Centre for Intelligent Materials (EBACIM), Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg
*E-mail: *****@***phys. msu. ru
Магнитоактивный эластомер (МАЭ) - композитный материал, состоящий из полимерной сетки с внедренными в нее магнитными частицами. При помещении во внешнее магнитное поле происходит структурирование магнитных частиц вдоль линий магнитного поля, что приводит к изменению целого ряда свойств МАЭ, в частности, механических и вязкоупругих. В магнитном поле наблюдаются магнитострикция, эффект памяти формы, магнитореологический эффект, эффект Пэйна.
Целью данного исследования было изучение влияния жесткости матрицы, массовой доли и состава магнитного наполнителя, размера частиц, анизотропии распределения наполнителя в матрице на реологические свойства МАЭ, а также явления гистерезиса МАЭ во внешнем магнитном поле.
Экспериментально изучены зависимости динамического модуля МАЭ, коэффициента потерь и нормальной силы от частоты и амплитуды деформации, а также от величины внешнего магнитного поля и времени. МАЭ изготовлены на основе силиконовых матриц различной жесткости. В качестве наполнителя использовались частицы карбонильного железа диаметром 3 – 5, 50 – 60 мкм. Образцы различались жесткостью матрицы, массовой долей и пространственным распределением наполнителя, а также распределением частиц наполнителя по размеру.
Было показано, что модуль накопления и модуль потерь МАЭ растут на два порядка в магнитном поле до 600 млТл (магнитореологический эффект). Кроме того, во внешнем магнитном поле наблюдается ярко выраженная зависимость динамического модуля от амплитуды деформации (эффект Пэйна), вызванная магнитными взаимодействиями частиц наполнителя. С уменьшением начального модуля матрицы и увеличением доли наполнителя магнитореологический эффект и эффект Пэйна усиливаются. Изначальная анизотропия образцов также способствует большему отклику на магнитное поле.
Были впервые изучены особенности гистерезиса динамического модуля, а также введена количественная характеристика величины гистерезиса. Динамический модуль демонстрирует гистерезис как при увеличении/уменьшении магнитного поля, так и при увеличении/уменьшении амплитуды. Максимальный гистерезис наблюдается при значениях поля, когда упругие силы матрицы сопоставимы с магнитными силами взаимодействия наполнителя. Предсказано, что любая физическая величина, зависящая от внутренней структуры магнитного наполнителя, должна демонстрировать явление гистерезиса.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-03-00914, 13-03-12147) и German Federal Ministry of Education and Research (BMBF grants No. 01DJ13006, 17PNT021).
V. V Sorokin, E. Ecker, G. V Stepanov, M. Shamonin, G. J. Monkman, E. Y. Kramarenko, and A. R. Khokhlov, “Experimental study of the magnetic field enhanced Payne effect in magnetorheological elastomers.,” Soft Matter, vol. 10, no. 43, pp. 8765–8776, Oct. 2014. V. V Sorokin, G. V Stepanov, M. Shamonin, G. J. Monkman, A. R. Khokhlov, and E. Y. Kramarenko, “Hysteresis of the viscoelastic properties and the normal force in magnetically and mechanically soft magnetoactive elastomers: Effects of filler composition, strain amplitude and magnetic field,” Polymer, vol. 76, pp. 191–202, Oct. 2015.